匡鵬，劉沖，王永綱
?。ㄖ袊茖W技術大學 近代物理系，安徽 合肥 230026）
摘要：現場可編程門陣列（FPGA）的高度靈活性和強大的數據處理能力，使其在越來越多的領域得到應用。USB 3.0也是目前主流的數據傳輸協議之一，具有速度快、功耗低等優點。將USB 3.0接口應用到FPGA上，能夠有效地解決FPGA與上位機之間的數據傳輸問題，大大提高生產效率。文章利用USB 3.0的控制器芯片CYUSB3014實現了FPGA與上位機之間的高達390 MB/s的數據傳輸系統。
關鍵詞：高速數據傳輸系統；現場可編程門陣列；USB 3.0；CYUSB3014
中圖分類號：TP334.7;TN791文獻標識碼：ADOI： 10.19358/j.issn.1674-7720.2017.07.008
引用格式：匡鵬，劉沖，王永綱.基于FPGA和USB3.0的通用數據傳輸系統設計［J］.微型機與應用，2017,36（7）：26-28,34.
0引言
現場可編程門陣列（FPGA）具有極高的靈活性以及強大的數據處理能力，在科學研究、大型實驗儀器和商用醫療設備等諸多領域中早已被成熟使用。但是FPGA本身并沒有提供任何與上位機通信的接口，這使得FPGA與上位機之間傳輸數據變得很不方便。開發者每次都必須根據具體外設重新開發FPGA和上位機的數據傳輸系統，從而降低了開發效率。
通用串行總線（USB）3.0標準早在2008年就已經提出，現在已取代USB2.0成為USB主要使用版本。USB3.0比USB2.0有更高的傳輸速度和更低的功耗。USB3.0的協議速度高達5.0 Gb/s（625 MB/s），是USB2.0的10倍之多。CYUSB3014是賽普拉斯（CYPRESS）公司設計的一款USB3.0外設控制芯片，它的主要功能是在USB主機與外設之間傳輸高寬帶數據。該芯片提供一個第二代通用可編程接口（GPIF II），開發者可以對GPIF II和FPGA編程，來實現從FPGA到USB控制器，再到上位機的數據傳輸通道。
本文利用USB3.0外設控制器CYUSB3014，實現了基于FPGA與上位機之間的數據傳輸接口設計［13］。經測試，本設計可以實現390 MB/s的FPGA到上位機的數據傳輸通道，以及355 MB/s的上位機到FPGA的數據傳輸通道，幾乎達到了該芯片支持的最高速度（400 MB/s）。
1系統結構
圖1為整個系統的結構。上位機的軟件應用程序（例如MATLAB）通過調用驅動程序中的應用程序編程接口（API），向CYUSB3014控制器發送數據或從它接收數據；USB控制器芯片內部通過直接內存存取（DMA）互聯結構建立USB端點到GPIF II的數據傳輸通道；FPGA內部接口邏輯模塊負責其他邏輯模塊與GPIF之間的數據傳輸。
圖1系統整體結構本設計以FPGA接口邏輯為主設備，GPIF為從設備，接口邏輯負責控制整個系統的工作狀態。為了通用性起見，本文設計了上位機對FPGA進行FIFO讀寫和寄存器讀寫共4種功能。FIFO讀寫可以完成高寬帶高速數據的雙向傳輸；寄存器讀寫則可以完成控制和監測的功能。這樣的設計能夠滿足大部分FPGA設計對上位機接口的需求。
2控制器芯片工作原理
賽普拉斯公司設計生產的USB3.0外設控制芯片CYUSB3014具有高度集成的靈活特性，它具有一個可進行完全配置的并行通用可編程接口GPIF II，可與任何處理器、ASIC或FPGA連接。芯片集成了USB 3.0和USB 2.0物理層(PHY)以及32位ARM926EJS微處理器，具有強大的數據處理能力，并可用于構建定制應用［1］。
圖2表示了控制器芯片的數據輸入輸出。其中DMA描述符（DMA Descriptor）保存了DMA緩沖區的地址和大小，以及指向下一個DMA描述符的指針。套接字（Socket）是外設硬件模塊與RAM之間的連接點，每個外設硬件模塊（如USB、GPIF、UART和SPI）具有各自固定的套接字數量，簡單來說可以把套接字看成外設的接口。DMA緩沖區（DMA Buffer）是RAM的一部分，用來緩存外設間需要傳輸的數據，這部分RAM的地址正是DMA描述符中保存的地址。
當外設之間進行數據傳輸時，例如將GPIF的數據傳輸到USB端點，控制器會自動加載相應的DMA描述符，然后從GPIF的套接字接收數據，保存到RAM中DMA描述符所指定的地址。當前DMA描述符處理完后，系統會自動加載下一個DMA描述符。DMA緩沖區的切換需要消耗幾個微秒的時間，在切換DMA緩沖區時，當前的DMA通道不能進行數據傳輸［4］。當某個DMA緩沖區被寫滿，或者GPIF主動提交數據包時，系統開始把該緩沖區的數據發送到USB端點。從USB端點到GPIF的數據傳輸過程與之類似，只不過數據傳輸的方向剛好相反。
3系統設計
3.1控制器芯片固件設計
USB控制器芯片的固件設計包括GPIF II狀態機設計和運行于芯片內部ARM微處理器上的可執行程序設計。其中，GPIF II狀態機的設計是關鍵，它描述了USB芯片如何響應主設備FPGA接口邏輯模塊發出的請求。
圖3給出了USB控制芯片與FPGA的接口連接。其中，CLK是由FPGA提供的頻率最高為100 MHz的時鐘信號。DATA信號是雙向數據線，完成GPIF與FPGA之間的雙向數據傳輸。ADDR為地址線，用于選擇使用哪個GPIF進程傳輸數據。GPIF共有4個獨立進程，每個進程與相應的DMA通道綁定。FPGA通過改變地址線ADDR，從而選擇使用哪個DMA通道進行數據傳輸?？刂菩盘柧蒄PGA發出，控制信號包括SLOE、SLCS、SLWR、SLRD、PKTEND，這些信號均為低電平有效。SLCS為片選信號，系統工作時，SLCS必須始終有效（即始終為0）。SLRD為讀請求信號，該信號有效時，GPIF會把緩存在RAM中的數據傳輸給FPGA。SLOE為輸出使能信號，它的唯一作用是驅動數據總線DATA翻轉。因為FPGA發出讀請求后，USB芯片并不能立刻將有效數據傳遞到GPIF端點，從SLRD有效到DATA有效有兩個時鐘周期的延遲［5］，因此需要額外的數據總線驅動信號SLOE。SLWR是寫請求信號，該信號有效時，FPGA會發送數據給GPIF，GPIF隨之將這些數據緩存在RAM中。PKTEND為傳輸結束信號，該信號用來標志此次數據傳輸結束。
另外，還有4個DMA標志信號FLAGX。這些信號由USB芯片發出，FPGA接收。這些信號并不是由GPIF狀態機控制的，FLAG信號用來標志指定DMA通道對應的緩沖區的狀態。
3.2FPGA接口設計
FPGA接口既要完成與USB控制器GPIF II對接，同時也要提供對FPGA內部邏輯模塊的數據傳輸接口。FPGA接口邏輯是本系統的核心，它作為主設備，控制著從設備GPIF的工作狀態。FPGA接口邏輯模塊內部有一些標志工作狀態的寄存器，用戶可以通過上位機軟件來配置這些寄存器，從而指定整個系統的工作模式。因此，在執行某種操作之前，需要通過上位機軟件先對FPGA接口邏輯模塊進行配置。
FPGA接口邏輯除了具有3.1節中與GPIF II相連接的接口外，還提供了其他接口與FPGA內部其他邏輯模塊相連接。圖4給出了這些接口信號。CLK是接口的工作時鐘（100 MHz），同時這個時鐘也是GPIF II的工作時鐘。RST是全局復位信號。剩下的信號則用來完成FIFO讀寫和寄存器讀寫的功能。
在進行FIFO讀操作時，使用的接口信號是RD_ACK、RD_VALID和RD_DATA。當RD_VALID有效時，標志著外部FIFO數據有效，RD_ACK作為應答信號告知外部邏輯已經完成對該有效數據的讀取。使用時，先通過上位機軟件對接口邏輯模塊進行配置，配置的信息確定了接口模塊將工作在讀FIFO模式，同時還確定了此次讀FIFO的數據個數。當讀取FIFO的數據個數達到上位機所請求的個數時，接口邏輯模塊停止讀取外部FIFO，同時停止向GPIF發送數據，并且發出PKTEND信號，標志著此次傳輸結束。
在進行FIFO寫操作時，使用的接口信號是WR_ACK、WR_READY、WR_DATA。當WR_READY有效時，標志著接口模塊可以向外部FIFO寫入數據，WR_ACK作為應答信號告知外部邏輯已經完成了數據的寫入。與讀FIFO類似，使用時先通過上位機軟件對接口模塊進行配置。配置信息確定了接口模塊工作在FIFO寫模式，同時確定了將要寫入的數據個數。
圖5FPGA接口邏輯狀態機圖5給出了FPGA接口邏輯模塊的狀態機向GPIF收發數據時的工作流程。系統最初處在空閑狀態（IDLE），然后根據配置信息確定的工作模式，以及DMA通道的FLAG標志信號，進入相應的狀態機流程中。
此外，接口邏輯模塊還實現了寄存器讀寫的功能，寄存器讀寫使用的DMA通道與FIFO讀寫的通道相同，只是傳輸的數據個數始終為1。
3.3上位機軟件設計
賽普拉斯官方提供了USB控制器芯片的驅動程序，并且提供了相應的應用程序接口（API）。為了使用方便，本設計在官方提供的API基礎上，將主要功能（FIFO讀寫和寄存器讀寫）用C++封裝成動態鏈接庫（DLL）。這樣用戶可以直接在自己的C/C++工程中調用已經封裝好的庫函數。在封裝庫函數時，已經將配置FPGA接口模塊這步工作封裝在了相應的功能函數中，這樣用戶就不必先單獨配置FPGA邏輯模塊。
考慮到現在大部分研究階段的數據處理工作都是使用MATLAB進行，本設計進一步將DLL函數封裝成MATLAB函數，以便MATLAB能夠直接使用USB的相關功能。
4測試結果
4.1測試環境
測試環境如表1所示。
4.2寄存器讀寫測試
寄存器讀寫只涉及到正確性問題，測試工程在FPGA內部例化了16個32 bit的寄存器。測試時對某個寄存器隨機寫入一個數值，然后再把該寄存器的值讀回來，比較讀取的值是否等于寫入的數值。經循環對這16個寄存器進行讀寫測試，發現寄存器讀寫功能能夠穩定地正常工作。
4.3FIFO回環測試
FIFO回環測試是為了驗證FIFO讀寫的正確性。測試時，MATLAB先將1 024個數據寫入到FPGA的FIFO中，然后再將這些數據從該FIFO中讀出，驗證讀出的數據是否是原來寫入的數據。經過測試，FIFO讀寫也能正常穩定地工作。
4.4讀寫FIFO速度測試
測試讀FIFO時，FPGA內部一直將某個加1的計數器的值寫入FIFO，MATLAB則從該FIFO中讀取數據。測試寫FIFO時，MATLAB一直將數據寫入FPGA的FIFO中，FPGA內部邏輯負責讀取該FIFO。MATLAB每次讀取或者寫入5 000 000個數據（每個數據32 bit），循環操作50次，記錄這50次操作所消耗的總時間，記為t（單位為s）。則，讀寫FIFO的速度為:
50×5 000 000×328×1 000 000×t(MB/s)
經測試，本設計讀FIFO的速度能夠達到390 MB/s左右，而寫FIFO的速度能夠達到355 MB/s左右。
5結論
本設計利用USB 3.0控制器芯片CYUSB3014實現了FPGA與上位機之間的高寬帶數據傳輸系統。主要實現的功能包括上位機對FPGA的寄存器讀寫和FIFO讀寫。經測試，這些功能都能穩定地正常工作。上位機讀FIFO的速度能夠達到390 MB/s，寫FIFO的速度能夠達到355 MB/s，接近于CYUSB3014芯片支持的理論最高速度400 MB/s。之所以讀FIFO的速度會比寫FIFO的速度高出不少，主要原因是因為在設計固件程序時，讀FIFO使用了DMA雙通道，而寫FIFO則只使用了DMA單通道。
參考文獻
?。?］ 陳松. 基于USB3.0的高速數據傳輸系統的研究與設計［D］. 成都: 電子科技大學, 2014.
［2］ 徐超, 劉沖, 王永綱. 基于FPGA和USB2.0協議的通用數據傳輸設計［J］. 微型機與應用, 2016,35（16）: 41-43.
?。?］ 王成儒, 李英偉. USB2.0原理與工程開發［M］. 北京: 國防工業出版社, 2004.
?。?］ Manaskant Desai, Karthik Sivaramskrishnan. Optimizing USB 3.0 throughput with EZ USB FX3TM［EB/OL］. (2015 10 22)［2016-10-30］. http://www.cypress.com/file/125281.
［5］ Rama Sai Krishna V. Designing with the EZ USB FX3 Slave FIFO Interface［EB/OL］. (2014 07 21)［2016 10 30］. http://www.cypress.com/file/136056.